La gran misión Chang’e 5 y las muestras Lunares que serán traídas a la Tierra

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El proyecto de exploración lunar Chang’e en 2004, conto con las misiones Chang’e No. 1, No. 2, No. 3, No. 5 T1 y No. 4. Durante este período, también se desplegó en el espacio a unos 450.000 kilómetros de la Tierra el Satélite de comunicación de retransmisión Queqiao.

Con estos grandes avances continuos de la industria y la ingeniería de exploración lunar de clase mundial, surgieron problemas como la detección de órbita lunar, detección de aterrizaje suave lunar, detección de patrulla lunar, retorno de la tierra lunar a una velocidad cósmica cercana al segundo y la detección de retroceso lunar, pero sin duda, China ha sido uno de los pioneros de la exploración lunar de la humanidad en el siglo XXI gracias a la resolución de todos estos problemas.

Chang’e Lunar Exploration ha establecido un plan de desarrollo de tres pasos: circunnavegación, aterrizaje y regreso para sus misiones Chang’e, luego de que este programa o algunas misiones no salieran a flote completamente, en 2011 se estableció el retorno de la misión Chang’e 5. Para esta misión Chang’e 5 la cual es la encargada de regresar a la tierra se tenía estimado que se lanzara inicialmente en 2017 pero fue hasta este año, 2020 cuando la misión se oficializo completamente.

El lanzamiento de Chang’e 5 se ha retrasado varias veces.

Aunque la misión principal de Chang’e 5 es “tomar muestras y regresar”, la esencia es que las tres tareas principales de “orbitar, caer y regresar” son indispensables. Es un examen sistemático de todo el proyecto de exploración lunar de Chang’e en 16 años. Debido a la necesidad de realizar múltiples tareas de ingeniería en un solo lanzamiento, la masa de lanzamiento de la sonda ha aumentado drásticamente a 8,2 toneladas, lo que es un excedente en comparación con la masa de lanzamiento de Chang’e 4, que es inferior a 4 toneladas.

Las cuatro cabinas de la nave espacial Chang’e-5

El único cohete de China con capacidad de lanzar 8 toneladas en la órbita de transferencia Tierra-Luna es el Long March 5, que puede enviar una carga útil de aproximadamente 9 toneladas directamente a la órbita de transferencia Tierra-Luna.

Long March 5, el cohete que será lanzado.

Long March 5, es un cohete de lanzamiento pesado chino desarrollado por la Academia China de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento, es el primer cohete chino con el nuevo diseño enfocado en combustibles líquidos.

Las características principales​ de este cohete son:

• Altura: 57 metros
• Diámetro: 5 metros
• Masa: 867 000 kg
• Etapas: 2

Primera Etapa

El LM-5-500 es la primera etapa de cohete Long March 5 y es completamente criogénico, se utilizan propergoles criogénicos como el hidrógeno líquido y oxígeno líquido.

Segunda Etapa

El tanque de combustible (hidrógeno líquido) tiene el mismo diámetro que la primera etapa (5 m), mientras que el diámetro del tanque oxidante debajo de él (oxígeno líquido) es inferior a 4 m, junto con los motores, está oculto por la sección intermedia de la primera etapa6. La altura de la etapa es de aproximadamente 11.5 m.

Los 4 Propulsores laterales

Cuatro propulsores de apoyo, o aceleradores, de propergoles líquidos, CZ-5-300, se fijan a los lados de la primera etapa y proporcionan el empuje principal del vehículo durante el lanzamiento. El empuje total de la primera etapa y los aceleradores en el momento del lanzamiento alcanza los 10 565 kN6​17​. El diámetro del acelerador es de 3.35 m, la altura es de 27.6 m, el peso en seco es de unas 12 toneladas y contiene hasta 147 toneladas de propergoles, que son queroseno y oxígeno líquido​.

El acelerador tiene dos motores de circuito cerrado YF-100, lo que le proporciona un empuje de 2400 kN al nivel del mar.

Cofia

Para la carga útil durante el vuelo atmosférico, se utiliza una cofia de un diámetro exterior de 5.2 m y una longitud de la cofia de 12.27 m.

Algunos Cohetes que pueden hacer esta misión.

Algunos de los cohetes que están en uso actualmente o que lo estarán en unos años, y que son capaces de realizar esta misión hasta la Luna con retorno son:

Vuelo en órbita de transferencia Tierra-Luna en aproximadamente 4 días y medio.

Después de separarse del cohete de segunda etapa Long March 5 Yao-5, el orbitador Chang’e-5 y el módulo de aterrizaje desplegarán el ala solar por separado, y el ala solar desplegada estará en un diseño entrecruzado para evitar el bloqueo de la luz.

Durante el vuelo de transferencia Tierra-Luna, la red de control y medición del espacio lejano con base en tierra determinará la posición orbital del detector en tiempo real y decidirá si es necesaria la corrección de la órbita según corresponda. Después de un total de 3 misiones de transferencia directa Tierra-Luna de Chang’e 2, 3 y 4, el viaje de Chang’e 5 a la luna será más estable.

Cuando Chang’e-5 alcanza una posición de unos 200 kilómetros cerca del punto lunar, necesita realizar una desaceleración de empuje inverso, que comúnmente se conoce como “desaceleración del freno espacial”, para cumplir con las condiciones de velocidad de vuelo alrededor de la luna. Si no desacelera a tiempo, la nave espacial se alejará de la luna. Una nave espacial demasiado agresiva también puede golpear la luna, por lo que es necesario calcular con precisión el tiempo de ignición.

Volar alrededor de la luna.

Después de completar el frenado cercano a la luna, Chang’e-5 será capturado por la gravedad de la luna y entrará en una órbita alrededor de la luna con una altitud de unos 200 kilómetros.

Inmediatamente después de que Chang’e-5 se dividiera en dos, el módulo de aterrizaje y la cabina de apoyo se separaron para formar una “combinación de orbitador y retorno (combinación de órbita-retorno)” y una “combinación de módulo de aterrizaje y ascenso (combinación anterior)”.

Separación del conjunto orbital del conjunto superior.

El conjunto de la órbita trasera continuará operando en una órbita de 200 kilómetros alrededor de la luna, y el conjunto superior entrará en una órbita de preparación para el aterrizaje de 15 kilómetros del punto cercano de la luna y 200 kilómetros del punto lejano de la luna para una órbita de tres días alrededor de la luna.

Durante el período, si es necesario, la cámara óptica en el conjunto superior también se puede utilizar para realizar imágenes de alta definición del área de aterrizaje. Cargas como el altímetro de microondas y el altímetro láser también se pueden encender para obtener información topográfica más detallada del área de aterrizaje, y luego elegir la oportunidad de implementar la misión de aterrizaje.

La combinación de Chang’e 5 que lleva a cabo la misión de aterrizaje lunar hereda completamente la tecnología de las plataformas de aterrizaje Chang’e 3 y 4. El módulo de aterrizaje está equipado con un motor de empuje variable 7500N de campo de batalla, que tiene un ajuste de profundidad de 1500N a 7500N de rango de empuje. La capacidad no solo puede resolver eficazmente el problema de la desaceleración del aterrizaje, sino que también tiene las ventajas de un alto impulso específico, alta precisión y alta confiabilidad.

Todo el proceso de alunizaje se divide en cinco etapas: etapa de preparación para el aterrizaje, etapa de desaceleración principal, etapa de aproximación, etapa de evitación de obstáculos flotantes y etapa de descenso lento. Después de ingresar a la etapa de aproximación, la plataforma de aterrizaje utilizará la primera evasión de visión artificial completamente autónoma de China. Sistema de obstáculos, el sistema consta de una unidad de medición inercial, sensor de rango láser, sensor de rango de microondas, sensor de imagen óptica, sensor de imagen tridimensional láser, computadora de procesamiento de datos de imagen y otros equipos de conciencia situacional.

A una altura de dos metros de la luna, el motor de empuje variable 7500N se apaga y el conjunto superior comienza a amortiguar el aterrizaje, con el objetivo de reducir el polvo lunar levantado por la estela del motor.

La energía de aterrizaje final es absorbida por las cuatro patas de apoyo de aterrizaje. Esta parte está hecha de una aleación de absorción de energía de alta eficiencia, que puede asegurar que el módulo de aterrizaje no se vuelque dentro del ángulo establecido.

El cohete tiene un sistema completo de torre de lanzamiento para despegar desde la tierra, la posición de encendido y despegue se mide con precisión, y la trayectoria de vuelo se calcula y calcula. El despegue lunar es completamente diferente. El módulo de aterrizaje es la torre de lanzamiento del ascendedor y el módulo de aterrizaje no puede ser estable. Sí, por ejemplo, el módulo de aterrizaje Chang’e-4 aterrizó en una pendiente, y también es imposible que el módulo de aterrizaje esté equipado con ranuras de desvío de cohetes como la torre de lanzamiento de la Tierra.

Encuentro y acoplamiento en la órbita lunar.

El ascendedor por sí solo no puede devolver las muestras de suelo lunar a la tierra, es necesario acoplarlo al conjunto de retorno orbital para la transferencia de muestras y devolverlo a la tierra por parte del retornador. China ya ha dominado la tecnología de acoplamiento y encuentro de la órbita terrestre baja a través de proyectos espaciales tripulados. Sin embargo, lo que logrará el Chang’e 5 es el encuentro y acoplamiento no tripulados de la órbita lunar a más de 380.000 kilómetros. Esta es otra “primera vez en la historia de los vuelos espaciales humanos”.

El encuentro y el acoplamiento no tripulados de la órbita lunar requieren la red de medición y control para superar la tecnología de determinación de órbitas de alta precisión de múltiples objetivos en la órbita del espacio profundo. Al mismo tiempo, también es necesario desarrollar un nuevo sistema de acoplamiento liviano para los requisitos especiales de la misión Chang’e-5.

El encuentro y el acoplamiento de la nave espacial Shenzhou y el Laboratorio Tiangong es un impacto de objetivo espacial del mismo tamaño, mientras que el conjunto de orbitador trasero Chang’e-5 en este momento tiene un tamaño de más de 2 toneladas, lo que obviamente es asimétrico con los cientos de kilogramos de ascendente. La misión requiere el ensamblaje de la órbita trasera. El cuerpo se acopla activamente con el ascendedor, que es una condición de fuerza compleja para grandes persecuciones pequeñas.

Para implementar la misión de atraque, el ensamblaje de retorno de la órbita frontal debe primero separar el módulo de soporte de retorno. El ascendedor que despega de la superficie lunar entrará en una órbita objetivo de 15 kilómetros del punto lunar cercano y 180 kilómetros del punto lunar lejano, y luego completará el ascenso después de un vuelo orbital de dos días. La guía de larga distancia entre la aeronave y el conjunto de órbita posterior, después de ingresar al encuentro autónomo de corto alcance, realizará el acoplamiento de los dos dispositivos en 3.5 horas bajo la guía del radar de microondas.

Esperando alrededor de la luna.

Una vez que se completen el acoplamiento y la transferencia de muestras, el ascendedor se desechará y luego el conjunto orbital entrará en un vuelo de espera de luna redonda de 6 días, con el propósito de ingresar a la órbita de transferencia lunar-tierra con la mejor energía.

Transferencia de tierra lunar.

Cuando llega la ventana de órbita óptima para la transferencia de energía lunar-tierra de 112 horas, el motor del orbitador 3000N se enciende y se corta en la órbita de retorno. Cuando el conjunto de retorno de la órbita está a unos 5000 kilómetros de la Tierra, el orbitador ayuda al que regresa a establecer una actitud de reentrada y de retorno, y luego la separación de retorno orbital. El retornado voló a la tierra para ingresar a la ruta de regreso de reentrada.

Vuelva a entrar en la atmósfera casi a la segunda velocidad cósmica.

En el pasado, la velocidad inicial de reentrada de la nave espacial Shenzhou en la atmósfera era de 7,6 km / s, y la temperatura de ablación de la atmósfera de reentrada era de unos 2000 grados Celsius, mientras que el reentrante Chang’e-5 volverá a entrar a una velocidad cercana al segundo universo de 11 km / s. En la atmósfera, la temperatura de ablación de fricción con la atmósfera será tan alta como 2760 grados Celsius.

Para resistir altas temperaturas y ablación, el retornador Chang’e-5 está en el lado de barlovento de la suela exterior, el lado de sotavento de la suela exterior, el anillo de esquina de la suela exterior, el lado de barlovento de la pared lateral, el lado de sotavento de la pared lateral, la tapa de la escotilla de la pared lateral y el anillo de protección contra el calor del borde, y el ala estabilizadora. Se aplican 7 componentes diferentes de materiales de protección de ablación térmica a las piezas grandes.

Si bien el cuerpo de la cabina está sujeto a ablación a alta temperatura, también se enfrenta al problema de la desaceleración aerodinámica, porque el paracaídas de desaceleración debe abrirse para lograr un aterrizaje suave en la tierra, y una velocidad demasiado rápida ejercerá más presión sobre el paracaídas de desaceleración.

Por esta razón, se ha innovado en una órbita de retorno de salto semi-balístico de alta velocidad, como una deriva de agua. Después de que el retornador ingresa a la atmósfera por primera vez, cuando está cerca de 60 kilómetros del suelo, usa el amortiguador de arco formado en la parte delantera de la suela para rebotar nuevamente al espacio. , Y luego volver a entrar en la atmósfera nuevamente. En este momento, la velocidad de reentrada del regresador será la misma que la de la cabina de regreso de la nave espacial Shenzhou. El propósito de esto es disminuir la velocidad. Cuando el retractor se acerca a los 10,000 metros del suelo, el paracaídas guía y el paracaídas principal se retiran uno tras otro, y finalmente aterrizará en el campo de aterrizaje programado en Mongolia Interior.

Finalmente, luego de toda la ejecución de maniobra y regreso de las muestras de Chang’e 5 a la tierra, se tiene estimado que sea el día, miércoles 16 de Diciembre en Siziwang Banner, Mongolia Interior, China donde llegaran las muestras y que sea por primera vez en 40 años, donde la humanidad traerá muestras de la Luna, gracias a la misión china Chang’e 5.